Foundation Fieldbus é um sistema de comunicação digital utilizado em automação junto com Profibus, Modbus ou HART. A tecnologia surgiu um pouco mais tarde que seus concorrentes: a primeira edição do padrão data de 1996 e atualmente inclui dois protocolos para troca de informações entre os participantes da rede - H1 e HSE (High Speed Ethernet).
O protocolo H1 é utilizado para troca de informações nos níveis de sensores e controladores, e sua rede é baseada no padrão de camada física IEC 61158-2, permitindo uma taxa de transferência de dados de 31,25 kbit/s. Neste caso, é possível fornecer energia aos dispositivos de campo a partir do barramento de dados. A rede HSE é baseada em redes Ethernet de alta velocidade (100/1000 Mbit/s) e é usada para construir uma rede automatizada de sistemas de controle de processos ao nível de controladores e sistemas de gestão empresarial.
A tecnologia é aplicável na construção de sistemas automatizados de controle de processos para quaisquer instalações industriais, mas é mais difundida em empresas da indústria de petróleo e gás e da indústria química.
Capacidades tecnológicas
O Foundation Fieldbus foi desenvolvido como uma alternativa ao modelo tradicional de sistemas de controle automatizados baseados em sensores analógicos e apresenta uma série de vantagens tanto em relação ao modelo tradicional quanto aos sistemas digitais baseados em Profibus ou HART.
Uma das principais vantagens é o alto grau de confiabilidade e tolerância a falhas dos sistemas H1, que é alcançado devido a dois fatores:
- utilização de dispositivos inteligentes (sensores e atuadores) em nível de campo;
- a capacidade de organizar a troca de informações diretamente entre dispositivos de campo sem a participação de um controlador.
A inteligência dos dispositivos de campo reside na capacidade de implementar algoritmos de controle e processamento de informações que são tradicionalmente implementados no controlador. Na prática, isso permite que o sistema continue operando mesmo se o controlador falhar. Isto requer que os dispositivos de campo sejam configurados adequadamente e que seja fornecida uma fonte de alimentação de fieldbus confiável.
Os benefícios adicionais derivados da digitalização do sistema de controle e do uso de sensores inteligentes incluem a capacidade de obter mais dados além da medição de cada dispositivo de campo, expandindo, em última análise, o escopo do monitoramento do processo que nos sistemas analógicos tradicionais é limitado ao sistema de entrada/saída de sinal .
O uso da topologia de barramento na rede H1 permite reduzir o comprimento das linhas de cabos, a quantidade de trabalho de instalação e eliminar o uso de equipamentos adicionais em sistemas de controle: módulos de entrada/saída, fontes de alimentação e em áreas perigosas - faísca barreiras de proteção.
O H1 permite o uso de cabos de comunicação de sensores de 4 a 20 mA, que podem ser usados na atualização de sistemas de controle mais antigos. Graças ao uso de princípios de segurança intrínsecos, a tecnologia é ativamente utilizada em ambientes explosivos. A própria padronização garante a intercambialidade e compatibilidade de equipamentos de diferentes fabricantes e, graças aos dispositivos gateway, é possível interligar uma rede de dispositivos de campo e uma rede de sistemas de controle industrial de empresas construídas em Ethernet.
O Foundation Fieldbus H1 é mais semelhante aos sistemas Profibus PA. Ambas as tecnologias são baseadas no mesmo padrão de camada física, portanto esses sistemas possuem as mesmas taxas de transferência de dados, o uso da codificação Manchester, os parâmetros elétricos da linha de comunicação, a quantidade de potência transmitida possível e o comprimento máximo permitido do cabo em uma rede segmento (1900 m). Além disso, em ambos os sistemas é possível utilizar até 4 repetidores, com os quais o comprimento do segmento já pode chegar a 9,5 km. Possíveis topologias de rede no sistema de controle, bem como princípios para garantir a segurança intrínseca, são comuns.
Componentes do sistema
Os principais elementos da rede Foundation Fieldbus H1 são:
- controlador do sistema de controle descentralizado (DCS);
- fontes de alimentação para barramento de campo;
- dispositivos de interface em bloco ou modular;
- terminadores de barramento;
- dispositivos de campo inteligentes.
O sistema também pode conter dispositivos gateway (Linking Device), conversores de protocolo, SPDs e repetidores.
Topologia de rede
Um conceito importante na rede H1 é o conceito de segmento. É uma linha de comunicação principal (Tronco), com ramais saindo dela (Spur), à qual são conectados dispositivos de campo. O cabo tronco começa na fonte de alimentação do barramento e geralmente termina no último dispositivo de interface. Quatro tipos de topologia são permitidos para comunicação entre o controlador e os dispositivos de campo: ponto a ponto, loop, barramento e árvore. Cada segmento pode ser construído usando uma topologia separada ou usando suas combinações.
Com uma topologia ponto a ponto, cada dispositivo de campo é conectado diretamente ao controlador. Neste caso, cada dispositivo de campo conectado forma seu próprio segmento de rede. Esta topologia é inconveniente porque priva o sistema de quase todas as vantagens inerentes ao Foundation Fieldbus. Existem muitas interfaces no controlador e para alimentar dispositivos de campo a partir do barramento de dados, cada linha de comunicação deve ter sua própria fonte de alimentação de barramento de campo. O comprimento das linhas de comunicação acaba sendo muito longo e a troca de informações entre os dispositivos é realizada apenas através do controlador, o que não permite utilizar o princípio de alta tolerância a falhas dos sistemas H1.
A topologia em loop implica uma conexão serial de dispositivos de campo entre si. Aqui, todos os dispositivos de campo são combinados em um segmento, o que permite o uso de menos recursos. Porém, esta topologia também apresenta desvantagens - em primeiro lugar, é necessário fornecer métodos em que a falha de um dos sensores intermediários não leve à perda de comunicação com os demais. Outra desvantagem é explicada pela falta de proteção contra curto-circuito na linha de comunicação, impossibilitando a troca de informações no segmento.
Duas outras topologias de rede apresentam maior confiabilidade e praticidade - topologias de barramento e árvore, que encontraram a maior distribuição na prática na construção de redes H1. A ideia por trás dessas topologias é usar dispositivos de interface para conectar dispositivos de campo ao backbone. Os dispositivos de acoplamento permitem que cada dispositivo de campo seja conectado à sua própria interface.
Configurações de rede
Questões importantes na construção de uma rede H1 são seus parâmetros físicos - quantos dispositivos de campo podem ser usados em um segmento, qual é o comprimento máximo de um segmento, qual o comprimento das ramificações. A resposta a estas perguntas depende do tipo de fonte de alimentação e do consumo de energia dos dispositivos de campo e, para áreas classificadas, dos métodos para garantir a segurança intrínseca.
O número máximo de dispositivos de campo em um segmento (32) só pode ser alcançado se eles forem alimentados por fontes locais no local e se a segurança intrínseca não estiver disponível. Ao alimentar sensores e atuadores a partir do barramento de dados, o número máximo de dispositivos pode ser de apenas 12 ou menos, dependendo dos métodos de segurança intrínseca.
Dependência do número de dispositivos de campo do método de alimentação e métodos para garantir a segurança intrínseca.
O comprimento do segmento de rede é determinado pelo tipo de cabo utilizado. O comprimento máximo de 1900 m é alcançado usando cabo tipo A (par trançado com blindagem). Ao utilizar cabo tipo D (não cabo multicore trançado com blindagem comum) - apenas 200 m O comprimento de um segmento é entendido como a soma dos comprimentos do cabo principal e de todas as ramificações dele.
Dependência do comprimento do segmento do tipo de cabo.
O comprimento das ramificações depende do número de dispositivos no segmento de rede. Portanto, com o número de dispositivos até 12, isso é no máximo 120 m. Ao usar 32 dispositivos em um segmento, o comprimento máximo dos ramais será de apenas 1 m. Ao conectar dispositivos de campo com um loop, cada dispositivo adicional reduz o comprimento do galho em 30 m.
Dependência do comprimento dos ramais do cabo principal do número de dispositivos de campo no segmento.
Todos esses fatores afetam diretamente a estrutura e a topologia do sistema. Para agilizar o processo de projeto de rede, são utilizados pacotes de software especiais, como DesignMate do FieldComm Group ou Fieldbus Network Planner da Phoenix Contact. Os programas permitem calcular os parâmetros físicos e elétricos da rede H1, levando em consideração todas as restrições possíveis.
Finalidade dos componentes do sistema
Controlador
A tarefa do controlador é implementar as funções do Link Active Scheduler (LAS), principal dispositivo que gerencia a rede por meio do envio de mensagens de serviço. O LAS inicia a troca de informações entre os participantes da rede com mensagens planejadas (programadas) ou não programadas, diagnostica e sincroniza todos os dispositivos.
Além disso, o controlador é responsável pelo endereçamento automático dos dispositivos de campo e atua como um dispositivo gateway, fornecendo uma interface Ethernet para comunicação com o nível superior do sistema de controle baseado em Foundation Fieldbus HSE ou outro protocolo de comunicação. No nível superior do sistema, o controlador fornece funções de monitoramento e controle do operador, bem como funções para configuração remota de dispositivos de campo.
Podem existir vários Active Link Schedulers na rede, garantindo a redundância das funções neles incorporadas. Em sistemas modernos, as funções LAS podem ser implementadas em um dispositivo gateway que atua como um conversor de protocolo para sistemas de controle construídos em um padrão diferente do Foundation Fieldbus HSE.
Fontes de alimentação Fieldbus
O sistema de alimentação na rede H1 desempenha um papel fundamental, pois para que a troca de dados seja possível a tensão no cabo de dados deve ser mantida na faixa de 9 a 32 V DC. Quer os dispositivos de campo sejam alimentados pelo barramento de dados ou por fontes de alimentação de campo, a rede necessita de fontes de alimentação de barramento.
Portanto, seu principal objetivo é manter os parâmetros elétricos exigidos no barramento, bem como alimentar os dispositivos conectados à rede. As fontes de alimentação de barramento diferem das fontes de alimentação convencionais porque possuem uma impedância de circuito de saída correspondente nas frequências de transmissão de dados. Caso utilize fontes de alimentação de 1 ou 12 V diretamente para alimentar a rede H24, o sinal será perdido e a troca de informações no barramento não será possível.
Fontes de alimentação redundantes para fieldbus FB-PS (montagem para 4 segmentos).
Dada a importância de fornecer energia de barramento confiável, as fontes de alimentação para cada segmento da rede podem ser redundantes. As fontes de alimentação FB-PS da Phoenix Contact suportam a tecnologia Auto Current Balancing. O ASV fornece uma carga simétrica entre as fontes de energia, o que tem um efeito benéfico nas suas condições de temperatura e, em última análise, leva a um aumento na sua vida útil.
O sistema de fonte de alimentação H1 normalmente está localizado no gabinete do controlador.
Dispositivos de interface
Os dispositivos de acoplamento são projetados para conectar um grupo de dispositivos de campo ao barramento de dados principal. Com base nas funções que desempenham, são divididos em dois tipos: módulos de proteção de segmento (Protetores de Segmento) e barreiras de campo (Barreiras de Campo).
Independentemente do tipo, os dispositivos de interface protegem a rede contra curtos-circuitos e sobrecorrentes nas linhas de saída. Quando ocorre um curto-circuito, o dispositivo de interface bloqueia a porta de interface, evitando que o curto-circuito se espalhe por todo o sistema e garantindo assim a troca de informações entre outros dispositivos da rede. Após eliminar o curto-circuito na linha, a porta de comunicação anteriormente bloqueada volta a funcionar.
As barreiras de campo fornecem adicionalmente isolamento galvânico entre circuitos não intrinsecamente seguros do barramento principal e circuitos intrinsecamente seguros de dispositivos de campo conectados (ramos).
Fisicamente, os dispositivos de interface também são de dois tipos - bloco e modular. Os dispositivos de interface de bloco do tipo FB-12SP com funcionalidade de proteção de segmento permitem usar circuitos IC intrinsecamente seguros para conectar dispositivos de campo na Zona 2, e as barreiras de campo ISO FB-12SP permitem conectar dispositivos nas Zonas 1 e 0 usando IA intrinsecamente segura. circuitos.
Acopladores FB-12SP e FB-6SP da Phoenix Contact.
Uma das vantagens dos dispositivos modulares é a capacidade de dimensionar o sistema selecionando o número de canais necessários para conectar os dispositivos de campo. Além disso, os dispositivos modulares permitem a criação de estruturas flexíveis. Em um gabinete de distribuição é possível combinar módulos de proteção de segmento e barreiras de campo, ou seja, conectar dispositivos de campo localizados em diferentes zonas de risco de explosão de um gabinete. No total, até 12 módulos FB-2SP de canal duplo ou módulos de barreira FB-ISO de canal único podem ser instalados em um barramento, conectando assim de um gabinete a 24 dispositivos de campo na Zona 2 ou até 12 sensores na Zona 1 ou 0.
Os dispositivos de interface podem ser operados em uma ampla faixa de temperatura e são instalados em gabinetes à prova de explosão Ex e, Ex d com um grau de proteção contra poeira e umidade de pelo menos IP54, inclusive o mais próximo possível do objeto de controle.
Dispositivos de proteção contra surtos
As redes de nível de campo H1 podem formar segmentos muito longos e as linhas de comunicação podem funcionar em locais onde são possíveis surtos. Sobretensões de pulso são entendidas como diferenças de potencial induzidas causadas por descargas atmosféricas ou curtos-circuitos em linhas de cabos próximas. A tensão induzida, cuja magnitude é da ordem de vários quilovolts, provoca o fluxo de correntes de descarga de quiloamperes. Todos esses fenômenos ocorrem em microssegundos, mas podem levar à falha dos componentes da rede H1. Para proteger os equipamentos de tais fenômenos, é necessário utilizar um SPD. A utilização de SPDs em vez de terminais de passagem convencionais garante uma operação confiável e segura do sistema em condições adversas.
O princípio de seu funcionamento baseia-se na utilização de um quase curto-circuito na faixa de nanossegundos para o fluxo de correntes de descarga em um circuito que utiliza elementos capazes de suportar o fluxo de correntes dessa magnitude.
Existem muitos tipos de SPDs: monocanal, canal duplo, com plugues substituíveis, com vários tipos de diagnósticos - em forma de pisca-pisca, contato seco. As ferramentas de diagnóstico de última geração da Phoenix Contact permitem monitorar protetores contra surtos usando serviços digitais baseados em Ethernet. A fábrica da empresa na Rússia produz dispositivos certificados para uso em ambientes explosivos, incluindo sistemas Foundation Fieldbus.
Terminador de ônibus
O terminador desempenha duas funções na rede - desvia a corrente do barramento de campo, que surge como resultado da modulação do sinal e evita que o sinal seja refletido nas extremidades da linha principal, evitando assim o aparecimento de ruído e jitter (jitter de fase do sinal digital). Assim, o terminador permite evitar o aparecimento de dados imprecisos na rede ou a perda total de dados.
Cada segmento da rede H1 deve ter dois terminadores em cada extremidade do segmento. As fontes de alimentação e os acopladores de barramento da Phoenix Contact estão equipados com terminadores comutáveis. A presença de terminadores extras na rede, por exemplo, devido a um erro, reduzirá significativamente o nível do sinal na linha de interface.
Troca de informações entre segmentos
A troca de informações entre dispositivos de campo não está limitada a um segmento, mas é possível entre diferentes seções da rede, que podem ser conectadas através de um controlador ou de uma rede de planta baseada em Ethernet. Neste caso, pode-se utilizar o protocolo Foundation Fieldbus HSE ou um mais popular, por exemplo, Modbus TCP.
Ao construir uma rede HSE, são usados switches de nível industrial. O protocolo permite redundância de anel. Neste caso, vale lembrar que em uma topologia em anel, os switches devem utilizar um dos protocolos de redundância (RSTP, MRP ou Extended Ring Redundancy) dependendo do tamanho e do tempo de convergência de rede necessário quando os canais de comunicação são quebrados.
A integração de sistemas baseados em HSE com sistemas de terceiros é possível utilizando a tecnologia OPC.
Métodos à prova de explosão
Para criar um sistema à prova de explosão, não basta guiar-se apenas pelas características à prova de explosão do equipamento e pela escolha de sua correta localização no local. Dentro do sistema, cada dispositivo não funciona sozinho, mas opera dentro de uma única rede. Nas redes Foundation Fieldbus H1, a troca de informações entre dispositivos localizados em diferentes áreas perigosas envolve não apenas a transferência de dados, mas também a transferência de energia elétrica. A quantidade de energia que era aceitável numa zona pode não ser aceitável noutra. Portanto, para avaliar a segurança contra explosão das redes de campo e selecionar o método ideal para garanti-la, é utilizada uma abordagem sistemática. Entre esses métodos, os mais utilizados são métodos para garantir a segurança intrínseca.
Quando se trata de fieldbuses, existem atualmente diversas maneiras de alcançar a segurança intrínseca: o método tradicional de barreira IS, o conceito FISCO e a High Power Trunk Technology (HPT).
O primeiro é baseado no uso de barreiras IS e implementa um conceito comprovado que tem sido utilizado em sistemas de controle baseados em sinais analógicos de 4-20 mA. Este método é simples e confiável, mas limita o fornecimento de energia para dispositivos de campo em zonas perigosas de 0 e 1 a 80 mA. Neste caso, segundo uma previsão otimista, é possível conectar no máximo 4 dispositivos de campo por segmento com consumo de 20 mA, mas na prática não mais que 2. Neste caso, o sistema perde todas as vantagens que existem no Foundation Fieldbus e na verdade leva a uma topologia ponto a ponto, quando para conectar um grande número de dispositivos de campo, o sistema deve ser dividido em vários segmentos. Este método também limita significativamente o comprimento do cabo principal e das ramificações.
O conceito FISCO foi desenvolvido pelo “Instituto Metrológico Nacional da Alemanha” e posteriormente incluído nas normas IEC e depois no GOST. Para garantir a segurança intrínseca da rede de campo, o conceito envolve a utilização de componentes que atendam determinadas restrições. Restrições semelhantes são formuladas para fontes de alimentação em termos de potência de saída, para dispositivos de campo em termos de consumo de energia e indutância, para cabos em termos de resistência, capacitância e indutância. Tais restrições se devem ao fato de que elementos capacitivos e indutivos podem acumular energia, que em modo de emergência, em caso de dano a algum elemento do sistema, pode ser liberada e causar descarga de faísca. Além disso, o conceito proíbe o uso de redundância no sistema de alimentação do barramento.
O FISCO fornece maior corrente para alimentar dispositivos em áreas perigosas em comparação com o método de barreira de campo. Aqui está disponível 115 mA, que pode ser usado para alimentar de 4 a 5 dispositivos no segmento. No entanto, também existem restrições quanto ao comprimento do cabo principal e das ramificações.
A tecnologia High Power Trunk é atualmente a tecnologia de segurança intrínseca mais comum em redes Foundation Fieldbus porque elimina as desvantagens que existem em redes protegidas por barreira ou FISCO. Com a utilização do HPT é possível atingir o limite de dispositivos de campo em um segmento de rede.
A tecnologia não limita os parâmetros elétricos da rede onde isso não é necessário, por exemplo, em uma linha de comunicação backbone, onde não há necessidade de manutenção e substituição de equipamentos. Para conectar dispositivos de campo localizados em uma zona explosiva, são utilizados dispositivos de interface com funcionalidade de barreiras de campo, que limitam os parâmetros elétricos da rede para alimentação dos sensores e estão localizados diretamente próximos ao objeto de controle. Neste caso, o tipo de proteção contra explosão Ex e (proteção aumentada) é utilizado em todo o segmento.
Fonte: habr.com